WO2007128504A1 - Dehnungsmessstreifen für messgrössenaufnehmer - Google Patents

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WO2007128504A1
WO2007128504A1 PCT/EP2007/003932 EP2007003932W WO2007128504A1 WO 2007128504 A1 WO2007128504 A1 WO 2007128504A1 EP 2007003932 W EP2007003932 W EP 2007003932W WO 2007128504 A1 WO2007128504 A1 WO 2007128504A1
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WO
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webs
strain gauge
creep
measuring
longitudinal
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Application number
PCT/EP2007/003932
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Inventor
Manfred Kreuzer
Original Assignee
Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
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Publication date
Application filed by Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh filed Critical Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Definitions

  • the invention relates to a strain gauge for Messgrö- sen sensor according to the preamble of patent claim 1.
  • each spring material has a greater or lesser positive self-creep under mechanical stress.
  • the elongation of the measuring spring material is transferred to the applied strain gauges, which consists of a arranged on a support layer meander-shaped measuring grid made of metal foil.
  • This strain gauge also has its own creep, which has a negative sign under load.
  • the behavior of the spring body and the behavior of the strain gauges are now to be coordinated so that they ideally compensate each other exactly, so that as far as possible a measurement error is avoided.
  • the self-creep of the strain gauge must be matched to the self-creep of the measuring spring material. Ideally, the creep behavior of the
  • Strain gauge have the same time course with the opposite sign, as the creep behavior of the spring material. From EP 0 451 636 A1, a strain gauge with particularly low creep error is known.
  • This strain gauge consists of a foil-like carrier layer, to which a meander-shaped measuring grid made of a resistance foil is glued.
  • the carrier film consists of a specific plastic film, by which in particular a temperature-dependent self-creep behavior of the strain gauge is improved.
  • the Eigenkriech depends not only on the used material of the measuring grid, the carrier and the connecting materials, so that the self-creeping already may have an unfavorable Eigenkriech due to the geometric design of the meandering measuring grid.
  • EP 0 451 636 A1 has in practice a meander-shaped measuring grid with a larger number of measuring grid bars arranged parallel to one another and made of a resistance foil.
  • the resistance foil usually consists of a copper-nickel alloy (Konstantan) or nickel-chromium alloy (Karma) and preferably has a film thickness of approximately 3 to 5 ⁇ m.
  • the entire measuring grid usually has a length of 3 to 6 mm and a web width of 30 to 50 microns, wherein the distance between the webs corresponds approximately to a web width. Therefore, the reversal points at the web ends have a total width of about 3 Meßgitterstegumblen.
  • the length of the reversal points generally corresponds to 2 to 6 times the grid web widths.
  • the entire stretched measuring grid looks similar to a strained Feather.
  • the spring force therefore generates shear stresses in the carrier film and the adhesive layers, in particular in the area of the reversal points.
  • the plastic of the strain gauge and the adhesive relax, ie the counterforce weakens and the measuring grid contracts. This results in a negative creep of the strain gauge, which should be as much as possible the same size as the positive creep of the measuring body, so that the resulting total creep of the Meß distreauitess is zero.
  • the invention is therefore based on the object to improve a strain gauge of the type mentioned so that thus a creep-dependent measurement error of
  • the invention has the advantage of achieving a decoupling of the electrical and mechanical relationships of the creep behavior through the configuration of the reversal points of longitudinal and transverse webs, as a result of which the measurement accuracy of a measurement pickup can be considerably increased.
  • This is preferably effected by the fact that the mechanical adjustment of the negative creep by the lattice-extending longitudinal webs not on the measurement signal acts as its current flows through the thin, largely shear stress-free transverse webs.
  • the invention furthermore has the advantage that the anchor surfaces necessary for proper relaxation can be formed independently of the electrical resistance conditions, so that in particular the shear stress peaks in the reversal point region can be reduced so that the temperature and time-dependent creep behavior can also be advantageously influenced. It can already be necessary for the compensation of the spring body creep by the length of the longitudinal webs
  • the longitudinal direction can still be influenced such that a total of almost any creep behavior of the strain gauge can be set. Due to the shape of the longitudinal webs, the set creep behavior is advantageously subject to only slight variations even with customary production tolerances.
  • the width of the longitudinal webs is narrower than the measuring grid webs.
  • Show it: 1 shows a partial view of a strain gauge with rectangular anchor surfaces at the reversal points and an associated shear stress curve and a strain curve;
  • FIG. 2 shows a partial view of a strain gauge with two measuring webs and a reversal point of two equally wide longitudinal webs.
  • FIG. 3 shows a partial view of a strain gauge with two measuring webs and a reversal point of two narrow longitudinal webs
  • Fig. 4 a partial view of a strain gauge with two measuring grid webs and a reversal point of two narrow longitudinal webs and two rounded wide anchor surfaces.
  • Fig. 1 of the drawing is a part of a meandering measuring grid of a FoliendehnungsmessstMakes
  • the reversal points 4 consist of a transverse web 6 at the ends of the measuring grid webs 5 and two longitudinal webs 7 with rectangular anchor surfaces 8.
  • the illustrated part of the strain gauge is based on a film strain gauge of the type mentioned above, which preferably contains a plastic carrier film, not shown, on which a meandering measuring grid 1 is applied from an electrical resistance material.
  • a strain gauge usually has a length of 3 to 6 mm and is applied to a measuring spring body and represents a Meßdorfnaufillon.
  • the partially shown Strain gauge preferably has an electrical resistance of 120 or 350 ⁇ and contains Meßgitterstege 5, whose width is about 30 to 50 microns at a web length c of eg 4 mm.
  • the reversal points 4 include a narrow transverse web 6, which connects the two ends of two adjacent parallel measuring grid webs 5 together electrically.
  • the narrow cross bar 6 has the same or a smaller width as the measuring grid webs 5.
  • Extension of the measuring grid webs 5 contains the reversal point 4 in the outwardly directed region to the transverse web 6 two longitudinal webs 7, which also preferably extend parallel to each other.
  • the longitudinal webs 7 are formed following the measuring grid webs 5 in a predetermined length b in the same width as the Meßgitterstege 5 and contain at their end portions on a section length a rectangular broadening, which represents a rectangular anchor surface 8 of the longitudinal webs 7.
  • the section b has, for example, the length of about 130 microns and the
  • Section a has a length of about 100 microns, wherein the widened anchor surface 8 preferably has a width of about 100 microns. Since such a strain gauge for measuring variable is connected to a predetermined supply voltage, there is an electrical current flow from terminal points not shown on the successively connected Meßgitterstege 5 and at its ends only on the thin transverse webs 6. Here are the open to the rear longitudinal webs 7 with the large anchor surfaces 8, over which no measuring signal current flows, only for setting the desired negative creep or the correct relaxation.
  • Fig. 1 of the drawing is at the same time above the partial representation of the strain gauge according to the invention whose shear stress ⁇ , and strain curve S 1 on the relative length X, shown at a constant mean strain ⁇ m . From the shear stress curve 2 it can be seen that, when the strain gauge in the measuring grid web 5 is loaded on the entire length c, the shear stresses are almost zero. Only in the region of the thin transverse web 5 through which flows the measuring signal current, small shear stresses 11 are recognizable, the effect on the measurement signal current is negligible.
  • the anchor surfaces 8 may be formed with pointed or round inlet or outlet ends. Such an anchor surface 8 with round and tapered inlet 9 and outlet ends 10 can be seen from Fig. 4 of the drawing.
  • Fig. 2 of the drawing The simplest embodiment of the invention for adjusting the negative creep of a strain gauge is shown in Fig. 2 of the drawing.
  • the reversal point 4 following the measuring grid webs 5 consists of a narrow transverse web 6 and two extending longitudinal webs 7 of length b.
  • the longitudinal webs 7 in this case have a width which corresponds to those of the measuring grid webs 5.
  • the desired negative creep can be determined by the respective length b of the longitudinal webs 7.
  • no special anchor surfaces are provided within the longitudinal webs 7. A little positive
  • Messisme creep is compensated by relatively long and a large measuring body creeping by relatively short longitudinal webs 7.
  • the longitudinal webs 7 have a length b of about 100 to 250 microns.
  • the length b is determined not only from the web width of the measuring grid webs 5, but primarily by the positive Meß stresseskriechen to be compensated.
  • Corresponding length measures b can be determined experimentally or calculated by specifying appropriate strain parameters.
  • a reversal point education is shown, which additionally compensates for etching tolerances by special design of the longitudinal webs 7. Because at one
  • Etching tolerance of, for example ⁇ 2 ⁇ m also changes the tensile force effect of the Meßgitterstege 5 on the reversal points 4 and thereby changed the negative creep of the strain gauge not insignificant. For example, if the webs 5,7,6 wider by etching tolerances by the same amount, so the negative creep of a normal strain gauge would increase, since the ratio of tensile stresses in the metal mesh to the shear stresses in the support sheet of the strain gauge in favor of tensile stresses would change in the metal grid. This is compensated in the strain gauges of FIG. 3 of the drawing, characterized in that the broadening by the etching tolerance in the thinner longitudinal ridge 7 means a relatively larger broadening than in the Meßgitterstegen 5.
  • a relatively larger broadening of the longitudinal ridge 7 acts but like a disproportionate enlargement of a reversal site 4, which tends to result in a reduction of the negative strain gauge creep. Both influences compensate each other with correct dimensioning, so that the positive creep of the spring body also at
  • the length b and the width of the longitudinal webs 7 are suitably dimensioned, with a greater length c creep a smaller negative strain gauge and a larger
  • Width means a small compensation of the etching tolerances.
  • An advantageous embodiment of a strain gauge has measuring grid webs 5 of 30 microns wide and 3 mm in length c, wherein the longitudinal webs 7 then about 20 microns wide and 200 microns long (b) to decouple the shear stresses ⁇ advantageous from the crossbar 6 and to compensate well for the etching tolerances.
  • a constant longitudinal web thickness is advantageous for average to larger negative creep values of the strain gauge, with which also a relatively middle to larger spring body creep can be compensated.
  • a reversal point formation is shown, which is preferably provided for a relatively small spring body creep.
  • the ends of the longitudinal webs 7 are formed by a broadening to an anchor surface 8, through which the tensile stresses of the Meßgitterstege 5 spread over a larger area, whereby the shear stresses are lower overall and thereby the negative creep of the strain gauge is reduced.
  • the broadening at the end of the longitudinal webs 7 to an anchor surface 8 is shown in Fig. 4 of the drawing with a rounded outlet end 10 and a bevelled and round inlet end formed 9.
  • Such widenings of the longitudinal webs 7 to anchor surfaces 8 are preferably made on a length a of about 100 microns and usually have a width of 80 to 130 microns, wherein the remaining longitudinal ridge 7 still has a length b of about 80 to 150 microns.
  • the inlet ends 9 can also extend obliquely or conically in order to reduce the shear stresses ⁇ . To reduce the
  • Shear stresses ⁇ in the end region of the armature surface 8 of the longitudinal web 7 can also taper the outlet end 10 obliquely and thus pointed or conical.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Combined Means For Separation Of Solids (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen für Messgrößenaufnehmer mit einem auf einer folienartigen Trägerschicht angeordneten mäanderförmigen Messgitter (1). Dabei besteht das Messgitter (1) aus Messgitterstegen (5) an dessen Endbereichen Umkehrstellen (4) mit einem Quersteg (6) zur Verbindung mit dem parallel daneben angeordneten Messgittersteg (5) angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Umkehrstelle (4) aus einem dünnen Quersteg (6) und zwei Längsstegen (7) als Verlängerung der Messgitterstege (5) besteht. Dabei ist der dünne Quersteg (6) am Endpunkt der Messgitterstege (5) und am Anfangspunkt der Längsstege (7) angeordnet, wobei die Längsstege (7) nach außen offen sind.

Description

Dehnungsmessstreifen für Messgrößenaufnehmer
Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen für Messgrö- ßenaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Durch die Neu- und Weiterentwicklung von Werkstoffen sowie deren Behandlungsverfahren konnten die Eigenschaften bezüglich der Anforderungen für die Herstellung von Messfedern für Wäge- zellen und Kraftaufnehmer deutlich gesteigert werden. Wesentliche Anforderungen sind hier reproduzierbare und zeitlich konstantes Verhalten des Verformungskörpers und des darauf applizierten Dehnungsmessstreifens. Die Verwendung eines Werkstoffes mit geringstem Eigenkriechen und reproduzierbarem Ver- halten ist dabei Voraussetzung zum Bau eines guten Aufnehmers.
Praktisch hat jeder Messfederwerkstoff ein mehr oder weniger großes positives Eigenkriechen unter mechanischer Belastung. Bei einer derartigen Belastung wird die Dehnung des Messfeder- Werkstoffs auf den applizierten Dehnungsmessstreifen übertragen, der aus einem auf einer Trägerschicht angeordneten mäan- derförmigen Messgitter aus Metallfolie besteht. Dieser Dehnungsmessstreifen hat ebenfalls ein Eigenkriechen, das unter Belastung negatives Vorzeichen hat. Das Verhalten des Feder- körpers und das Verhalten der Dehnungsmessstreifen sind nun so aufeinander abzustimmen, dass sie sich idealerweise genau kompensieren, so dass möglichst ein Messfehler vermieden wird. Dazu muss das Eigenkriechen des Dehnungsmessstreifens auf das Eigenkriechen des Messfederwerkstoffs abgestimmt werden. Idealerweise muss das Kriechverhalten des
Dehnungsmessstreifens den gleichen zeitlichen Verlauf mit umgekehrten Vorzeichen aufweisen, wie das Kriechverhalten des Messfederwerkstoffs . Aus der EP 0 451 636 Al ist ein Dehnungsmessstreifen mit besonders geringem Kriechfehler bekannt. Dieser Dehnungsmessstreifen besteht aus einer folienartigen Trägerschicht, auf die ein mäanderförmiges Messgitter aus einer Widerstandsfolie aufgeklebt ist. Dabei besteht die Trägerfolie aus einer bestimmten Kunststofffolie, durch die insbesondere ein temperaturabhängiges Eigenkriechverhalten des Dehnungsmessstreifens verbessert wird. Allerdings hängt das Eigenkriechverhalten nicht nur von dem verwendeten Werkstoff des Messgitters, des Trägers und der Verbindungsstoffe ab, so dass das Eigenkriechen schon aufgrund der geometrischen Gestaltung des mäanderförmigen Messgitters ein ungünstiges Eigenkriechverhalten aufweisen kann.
Da der Kriechvorgang u. a. auch durch den relativ eng begrenzten Bereich der Messgitterenden bestimmt wird, kann er durch konstruktive Änderungen in diesem Bereich beeinflusst werden. So ist es in der Praxis bekannt, das Kriechverhalten dadurch zu beeinflussen, dass die Länge der Umkehrstellen an den Messgitterenden im Verhältnis zur Stegbreite des
Messgitters variiert wird. Deshalb weist die EP 0 451 636 Al in der Praxis ein mäanderförmiges Messgitter mit einer größeren Anzahl parallel nebeneinander angeordneter Messgitterstege aus einer Widerstandsfolie auf. Die Widerstandsfolie besteht meist aus einer Kupfer-Nickel- Legierung (Konstantan) oder Nickel-Chrom-Legierung (Karma) und besitzt vorzugsweise eine Foliendicke von etwa 3 bis 5 μm . Dabei weist das gesamte Messgitter meist eine Länge von 3 bis 6 mm und eine Stegbreite von 30 bis 50 μm auf, wobei der Abstand zwischen den Stegen ca. einer Stegbreite entspricht. Deshalb besitzen die Umkehrstellen an den Stegenden eine Gesamtbreite von ca. 3 Messgitterstegbreiten. Zur Kompensation des Kriechverhaltens entspricht die Länge der Umkehrstellen in der Regel dem 2- bis 6-fachen der Gitterstegbreiten. Das gesamte gedehnte Messgitter wirkt ähnlich einer gespannten Feder. Die Federkraft erzeugt deshalb insbesondere im Bereich der Umkehrstellen Schubspannungen in der Trägerfolie und den Kleberschichten. Unter dem Einfluss dieser Spannung relaxieren die Kunststoffe des Dehnungsmessstreifens und des Klebstoffs, d.h. die Gegenkraft erlahmt und das Messgitter zieht sich zusammen. Dadurch entsteht ein negatives Kriechen des Dehnungsmessstreifens, das möglichst die gleiche Größe wie das positive Kriechen des Messkörpers haben soll, damit das resultierende Gesamtkriechen des Messgrößenaufnehmers zu Null wird. Allerdings sind insbesondere bei Messfederkörpern mit einem größeren positiven Kriechen zur Kriechkompensation verhältnismäßig kurze Umkehrstellen notwendig, die hohe Schubspannungen aufnehmen müssen. Diese verursachen insbesondere bei üblichen Herstellungstoleranzen der Dehnungsmessstreifen verhältnismäßig große Streuungen des Kriechverhaltens, mit denen eine genaue reproduzierbare Kriechkompensation schwierig durchführbar ist.
Aus der DE 199 09 042 Al ist ein Dehnungsmessstreifen bekannt, mit dessen Kriechverhalten durch eine besondere Ausgestaltung der Umkehrstellen insbesondere ein geringes positives Kriechen des Messfederkörpers vorteilhaft kompensierbar ist. Dazu ist vorgesehen, die Umkehrstellenlänge und die Umkehrstellenbreite im Verhältnis zur Gitterstegbreite so zu vergrößern, dass der Einfluss der Zugkräfte aus den Messgitterstegen an den
Umkehrstellen insgesamt verringert wird. Dies ist aber in der Praxis nur möglich, wenn die üblichen Messgitterstegbreiten verkleinert werden, um auf der gleichen Dehnungsmess- streifenflache die gleiche Gitterstruktur zu erhalten. Allerdings ist es häufig nicht immer notwendig, das negative Kriechen des Dehnungsmessstreifens insgesamt zu verringern, sondern nur den Messfehler bei einem vorgegebenen positiven Kriechen des Messfederkörpers durch ein genau einstellbares negatives Kriechen des Dehnungsmessstreifens möglichst gering zu halten. Dieser Messfehler ist durch ein kleines Verhältnis der Umkehrstellenlänge und -breite zur Messgitterstegbreite insbesondere bei der Kompensation eines größeren positiven Messkörperkriechens nur schwer mit hoher Reproduzierbarkeit zu verringern. Denn bei der Kompensation eines verhältnismäßig großen Messkörperkriechens wird die Trägerfolie des Dehnungsmessstreifens an den Umkehrstellen mit großen Schubspannungsspitzen belastet und dies kann zu größeren Streuungen beim zeit- und temperaturabhängigen Kriechen führen und somit Messsignaländerungen bei
Dehnungsmessstreifenaufnehmern verursachen. Da die Umkehrstellen auch Teil des gemessenen Dehnungsmessstreifenswiderstandes sind, führt eine Veränderung der Widerstandsfolie im Bereich der Umkehrstellen in Folge Relaxation durch große Scherspannungen zur Änderung des gemessenen Widerstands und somit zu Messfehlern.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungsmessstreifen der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass damit ein kriechabhängiger Messfehler eines
Messgrößenaufnehmers mit hoher Reproduzierbarkeit minimierbar ist .
Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildung und vorteilhafte
Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, durch die Ausgestaltung der Umkehrstellen aus Längs- und Querstegen eine Entkopplung der elektrischen und mechanischen Zusammenhänge des Kriechverhaltens zu erreichen, wodurch sich die Messgenauigkeit eines Messgrößenaufnehmers erheblich erhöhen lässt. Dies wird vorzugsweise dadurch bewirkt, dass die mechanische Einstellung des negativen Kriechens durch die gitterverlängenden Längsstege nicht auf das Messsignal einwirkt, da dessen Stromfluss über die dünnen, weitgehend schubspannungsfreien Querstege erfolgt.
Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass die zur richtigen Relaxation notwendigen Ankerflächen unabhängig von den elektrischen Widerstandsverhältnissen ausgebildet werden können, so dass insbesondere die Schubspannungspitzen im Umkehrstellenbereich so reduzierbar sind, dass sich gleichzeitig auch das temperatur- und zeitabhängige Kriechverhalten vorteilhaft beeinflussen lässt. Dabei kann bereits durch die Länge der Längsstege das zur Kompensation des Federkörperkriechens notwendige
Dehnungsmessstreifenkriechen genaustens eingestellt werden. Zusätzlich sind auch durch die geometrische Ausbildung der Ankerflächen die Schubspannungswerte und deren Verlauf in
Längsrichtung vorteilhafterweise noch so beeinflussbar, dass dadurch insgesamt nahezu ein beliebiges Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens einstellbar ist. Durch die Formgebung der Längsstege unterliegt das eingestellte Kriechverhalten vorteilhafterweise auch bei üblichen Fertigungstoleranzen nur geringen Streuungen.
Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen zusätzlich auch die Breite der Längsstege schmaler als die Messgitterstege auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass dadurch Toleranzen durch das Ätzen des Messgitters insbesondere der Messgitterstege bzgl. des Kriechens ausgleichbar sind.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1: eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit rechteckigen Ankerflächen an den Umkehrstellen und einer zugehörigen Schubspannungskennlinie und einer Dehnungsverlaufskennlinie;
Fig. 2: eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit zwei Messgitterstegen und einer Umkehrstelle aus zwei gleich breiten Längsstegen;
Fig. 3: eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit zwei Messgitterstegen und einer Umkehrstelle aus zwei schmalen Längsstegen, und
Fig. 4: eine Teildarstellung eines Dehnungsmessstreifens mit zwei Messgitterstegen und einer Umkehrstelle aus zwei schmalen Längsstegen und zwei abgerundeten breiten Ankerflächen .
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Teil eines mäanderförmigen Messgitters eines Foliendehnungsmessstreifens mit
Umkehrstellen und dem zugehörigen Schubspannungs-τ, und
Dehnungsverlauf εt dargestellt, wobei die Umkehrstellen 4 aus einem Quersteg 6 an den Enden der Messgitterstege 5 und zwei Längsstegen 7 mit rechteckigen Ankerflächen 8 bestehen.
Der dargestellte Teil des Dehnungsmessstreifens geht aus von einem Foliendehnungsmessstreifen der eingangs genannten Art, der vorzugsweise eine nicht dargestellte Kunststoffträgerfolie enthält, auf der ein mäanderförmiges Messgitter 1 aus einem elektrischen Widerstandsmaterial aufgebracht ist. Ein derartiger Dehnungsmessstreifen besitzt in der Regel eine Länge von 3 bis 6 mm und ist auf einem Messfederkörper appliziert und stellt einen Messgrößenaufnehmer dar. Der teilweise dargestellte Dehnungsmessstreifen besitzt vorzugsweise einen elektrischen Widerstand von 120 oder 350 Ω und enthält Messgitterstege 5, deren Breite ca. 30 bis 50 μm bei einer Steglänge c von z.B. 4 mm ist.
Die Umkehrstellen 4 enthalten einen schmalen Quersteg 6, der die beiden Enden zweier benachbarter parallel verlaufender Messgitterstege 5 elektrisch miteinander verbindet. Dabei besitzt der schmale Quersteg 6 die gleiche oder eine geringere Breite wie die Messgitterstege 5. In axialer
Verlängerung der Messgitterstege 5 enthält die Umkehrstelle 4 im nach außen gerichteten Bereich zum Quersteg 6 zwei Längsstege 7, die ebenfalls vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Die Längestege 7 sind im Anschluss an die Messgitterstege 5 in einer vorgegebenen Länge b in der gleichen Breite wie die Messgitterstege 5 ausgebildet und enthalten an ihren Endabschnitten auf einer Abschnittslänge a eine rechteckige Verbreiterung, die eine rechteckige Ankerfläche 8 der Längsstege 7 darstellt. Dabei besitzt der Abschnitt b beispielsweise die Länge von ca. 130 μm und der
Abschnitt a eine Länge von ca. 100 μm, wobei die verbreiterte Ankerfläche 8 vorzugsweise eine Breite von ca. 100 μm besitzt. Da ein derartiger Dehnungsmessstreifen zur Messgrößenermittlung an eine vorgegebene Speisespannung angeschlossen wird, erfolgt ein elektrischer Stromfluss von nicht dargestellten Anschlusspunkten über die nacheinander geschalteten Messgitterstege 5 und an dessen Enden nur über die dünnen Querstege 6. Dabei dienen die nach hinten offenen Längsstege 7 mit den großen Ankerflächen 8, über die kein Messsignalstrom fließt, nur zur Einstellung des gewünschten negativen Kriechens bzw. der richtigen Relaxation.
In Fig. 1 der Zeichnung ist gleichzeitig oberhalb der Teildarstellung des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens dessen Schubspannungs- τ, und Dehnungsverlaufs S1 über dessen relative Länge X, bei einer konstanten mittleren Dehnung εm dargestellt. Aus dem Schubspannungsverlauf 2 ist erkennbar, dass bei einer Belastung des Dehnungsmessstreifens im Messgittersteg 5 auf der gesamten Länge c die Schubspannungen nahezu Null sind. Lediglich im Bereich des dünnen Querstegs 5 durch den der Messsignalstrom fließt, sind geringe Schubspannungen 11 erkennbar, deren Auswirkung auf dem Messsignalstrom vernachlässigbar ist. Erst außerhalb der stromführenden Messgitter- 5 und Querstege 6 bauen sich im Bereich der Längsstege 7 Schubspannungen im Träger auf, die am Beginn und Ende der Ankerflächen 8 die Spitzenwerte 12 und 14 erreichen. Aus dem Schubspannungsverlauf 2 ist erkennbar, dass in den Ankerflächen 8 die größten Schubspannungen auftreten. Diese Stellen sind aber so weit vom stromdurchflossenen, messenden Teil des Messgitters entfernt, dass eine Veränderung der Schubspannungsspitzen z.B. durch überproportionale Relaxation des Trägers und der Kleberschichten in diesen Bereichen kaum merkbare Auswirkungen auf das Messsignal haben. Deshalb ist der Einfluss der erfindungsgemäßen Umkehrstellen 4 auf die Relaxation in den Messgitterstegen 5 um Größenordnungen geringer als bei den Umkehrstellen nach dem vorgenannten Stand der Technik, da sie über die Längsstege 7 der Umkehrstellen 4 stark entkoppelt sind. Zur Verringerung der Schubspannungsspitzen 12,14 können die Ankerflächen 8 mit spitzen oder runden Ein- oder Auslaufenden ausgebildet sein. Eine derartige Ankerfläche 8 mit runden und spitz zulaufenden Einlauf- 9 und Auslaufenden 10 ist aus Fig. 4 der Zeichnung erkennbar.
Die einfachste Ausbildung zur erfindungsgemäßen Einstellung des negativen Kriechens eines Dehnungsmessstreifens ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt. Dabei besteht die Umkehrstelle 4 im Anschluss an die Messgitterstege 5 aus einem schmalen Quersteg 6 und zwei verlängernden Längsstegen 7 der Länge b. Die Längsstege 7 weisen dabei eine Breite auf, die denen der Messgitterstege 5 entspricht. Das gewünschte negative Kriechen kann dabei durch die jeweilige Länge b der Längsstege 7 bestimmt werden. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung sind keine besonderen Ankerflächen innerhalb der Längsstege 7 vorgesehen. Ein kleines positives
Messkörperkriechen wird dabei durch verhältnismäßig lange und ein großes Messkörperkriechen durch verhältnismäßig kurze Längsstege 7 kompensiert. Bei einem gebräuchlichen Dehnungsmessstreifen von 5 mm Länge betragen die Längsstege 7 eine Länge b von ca. 100 bis 250 μm. Dabei bestimmt sich die Länge b nicht nur aus der Stegbreite der Messgitterstege 5, sondern in erster Linie von dem zu kompensierenden positiven Messkörperkriechen. Entsprechende Längenmaße b können sowohl experimentell ermittelt oder durch Vorgabe entsprechender Dehnungsparameter berechnet werden.
In Fig. 3 der Zeichnung ist eine Umkehrstellenausbildung dargestellt, die zusätzlich Ätztoleranzen durch besondere Ausbildung der Längsstege 7 ausgleicht. Denn bei einer
Ätztoleranz von beispielsweise ± 2μm verändert sich auch die Zugkraftwirkung der Messgitterstege 5 auf die Umkehrstellen 4 und verändert dadurch auch das negative Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens nicht unerheblich. Würden z.B. die Stege 5,7,6 in Folge von Ätztoleranzen um das gleiche Maß breiter, so würde sich auch das negative Kriechen eines normalen Dehnungsmessstreifens vergrößern, da sich das Verhältnis von Zugspannungen im Metallgitter zu den Schubspannungen in der Trägerfolie des Dehnungsmessstreifens zugunsten der Zugspannungen im Metallgitter verändern würde. Das wird bei den Dehnungsmessstreifen nach Fig. 3 der Zeichnung dadurch kompensiert, dass die Verbreiterung durch die Ätztoleranz in den dünneren Längssteg 7 eine relativ größere Verbreiterung bedeutet als in den Messgitterstegen 5. Eine relativ größere Verbreiterung des Längssteges 7 wirkt aber wie eine überproportionale Vergrößerung einer Umkehrstelle 4, was tendenziell eine Verkleinerung des negativen Dehnungsmessstreifenskriechens zur Folge hat. Beide Einflüsse kompensieren sich bei richtiger Dimensionierung, so dass das positive Kriechen des Federkörpers auch bei
Dehnungsmessstreifen-Losen mit größeren Ätztoleranzen präzise zu Null kompensiert werden kann. Dabei werden die Länge b und die Breite der Längsstege 7 in geeigneter Weise dimensioniert, wobei eine größere Länge b ein kleineres negatives Dehnungsmessstreifenkriechen und eine größere
Breite eine geringe Kompensation der Ätztoleranzen bedeutet. Eine vorteilhafte Ausbildung eines Dehnungsmessstreifens besitzt Messgitterstege 5 von 30 μm Breite und 3 mm Länge c, wobei die Längsstege 7 dann ca. 20 μm breit und ca. 200 μm lang (b) sind, um die Schubspannungen τ vorteilhaft vom Quersteg 6 zu entkoppeln und die Ätztoleranzen gut zu kompensieren. Dabei ist eine gleich bleibende Längsstegdicke vorteilhaft für mittlere bis größere negative Kriechwerte des Dehnungsmessstreifens, mit der ebenfalls ein relativ mittleres bis größeres Federkörperkriechen ausgeglichen werden kann.
In Fig. 4 der Zeichnung ist eine Umkehrstellenausbildung dargestellt, die vorzugsweise für ein relativ kleines Federkörperkriechen vorgesehen ist. Dazu sind die Enden der Längsstege 7 durch eine Verbreiterung zu einer Ankerfläche 8 geformt, durch die sich die Zugspannungen der Messgitterstege 5 auf eine größere Fläche verteilen, wodurch die Schubspannungen insgesamt geringer werden und dadurch auch das negative Kriechen des Dehnungsmessstreifens verringert wird. Dabei ergibt eine größere Gesamtfläche der Anker 8 ein geringeres negatives Kriechen des Dehnungsmessstreifens. Durch die ebenfalls verringerten Längsstegbreiten vor den Ankerflächen 8 gegenüber den Messgitterstegbreiten wird gleichzeitig eine Kompensation der Ätztoleranzen erreicht. Die Verbreiterung am Ende der Längsstege 7 zu einer Ankerfläche 8 ist in Fig. 4 der Zeichnung mit einem abgerundeten Auslaufende 10 und einem abgeschrägt und rund ausgebildeten Einlaufende 9 dargestellt. Dadurch werden insbesondere die Schubspannungsspitzen 12,14 im Ein- und Auslaufbereich mit ihren Spitzenwerten gegenüber der rechteckigen Ausführung nach Fig.l der Zeichnung abgebaut. Derartige Verbreiterungen der Längsstege 7 zu Ankerflächen 8 werden vorzugsweise auf einer Länge a von ca. 100 μm vorgenommen und besitzen meist eine Breite von 80 bis 130 μm, wobei der restliche Längssteg 7 noch eine Länge b von ca. 80 bis 150 μm aufweist. Die Einlaufenden 9 können zur Verringerung der Schubspannungen τ auch insgesamt schräg oder kegelförmig verlaufen. Zur Verringerung der
Schubspannungen τ im Endbereich der Ankerfläche 8 des Längssteges 7 kann auch das Auslaufende 10 schräg und damit spitz oder kegelförmig auslaufen.

Claims

Dehnungsmessstreifen für MessgrößenaufnehmerPatentansprüche
1. Dehnungsmessstreifen für Messgrößenaufnehmer mit einem auf einer folienartigen Trägerschicht angeordneten mäanderförmigen Messgitter (1) aus Messgitterstegen (5) an dessen Endbereichen Umkehrstellen (4) mit einem Quersteg (6) zur Verbindung mit dem parallel daneben angeordneten Messgittersteg (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Umkehrstelle (4) aus einem dünnen Quersteg (6) und zwei Längsstegen (7) als Verlängerung der Messgitterstege (5) besteht, wobei der Quersteg (6) am Endpunkt der Messgitterstege (5) und am Anfangspunkt der Längsstege (7) angeordnet ist.
2. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstege (7) als parallel verlaufende Verlängerung der Messgitterstege (5) nach hinten offen ausgebildet sind und eine Länge (b) von 80μm bis 400 μm der Messgittersteglänge (c) aufweisen.
3. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstege (7) eine Breite aufweisen, die gleich oder kleiner als die der Messgitterstege (5) ist.
4. Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstege (7) an ihren Endbereichen als Verbreiterung eine Ankerfläche (8) besitzen, deren Breite größer als die der Messgitterstege (5) ist.
5. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerflächen (8) rechteckig oder quadratisch ausgebildet sind und eine Länge (a) aufweisen, die höchstens 50 % der Gesamtlänge (b, a+b) der Längsstege (7) entspricht.
6. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerflächen (8) gerade, runde und/oder schräge Einlauf- (9) oder Auslaufenden (10) aufweisen.
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